Стационарный режим синхронной машины
Подключённая к обмотке возбуждения постоянная ЭДС
, вызывает в ней постоянный ток, который протекая по обмотке возбуждения, создаёт магнитный поток
(рис. 5.5). Основная часть этого магнитного потока
замыкается через магнитопровод ротора и статора. Незначительная часть потока
– которая называется магнитным потоком рассеяния ротора, замыкается по воздуху и определяется как
,
где
- коэффициент рассеяния ротора.
При вращении магнитного потока в воздушном зазоре машины в обмотках статора, в соответствие с законом электромагнитной индукции Фарадея, наводятся ЭДС, которые определяются выражениями
(5.2)
|
Рис.5.5. Магнитные потоки синхронной машины на холостом ходу
|
где
,
,
- потокосцепления магнитного потока
с обмотками фаз (все величины выражены в относительных единицах, поэтому коэффициенты пропорциональности равны 1).
Если учитывается только основная гармоника магнитного потока, то выражения для потокосцеплений имеют вид:
, (5.3)
где
– максимальное значение потокосцепления, получающееся при совпадении оси полюсов ротора с осью фаз,
– начальный угол.
Подставляя выражения (5.3) в (5.2), получим
. (5.4)
С другой стороны эти ЭДС могут быть представлены как проекции обобщённого вектора
, вращающегося с угловой скоростью
, на три оси времени, совпадающие с магнитными осями машины (рис.5.6). Обобщённый вектор ЭДС определяется из выражения
.

Рис.5.6. Обобщённые векторы синхронной машины
Из систем (5.3) и (5.4) следует, что вектор
отстаёт от векторов магнитного потока
и потокосцепления на
угол 90о. При нагрузке генератора по статорным обмоткам протекают симметричные токи, отстающие от
на некоторый угол
(
):

т.е. токи
,
,
получаются как проекции вектора на
оси фаз А, В, С.
В явнополюсной машине магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям различны. Чтобы учесть неодинаковые магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям, обобщённый вектор тока
и создаваемые им ампер-витки статора разлагают на продольные составляющие
и
, которые совпадают с осью полюсов, и поперечные составляющие
и
, перпендикулярные к этой оси. Продольные ампер-витки статора создают магнитный поток продольной реакции статора
, совпадающий с осью полюсов, который уменьшает основной поток возбуждения.
Поперечные ампер-витки статора создают магнитный поток поперечной реакции статора
, совпадающий с их направлением, т.е. сдвинутый относительно полюсов на 90о. Он ослабляет основной магнитный поток возбуждения с одной стороны полюсов и усиливает с другой, тем самым смещая ось магнитного потока в воздушном зазоре.
Совместное действие обмотки возбуждения и ампер-витков статора вызывает в воздушном зазоре машины некоторый результирующий магнитный поток
. Потокосцепление, соответствующее этому магнитному потоку, и наводимые ЭДС статорных обмоток могут быть представлены обобщёнными векторами
и
. Потокосцепление
можно представить как геометрическую сумму потокосцеплений от магнитного потока возбуждения
и потокосцеплений от магнитных потоков реакции статора
и
. Точно также ЭДС
можно представить как геометрическую сумму ЭДС, наводимых отдельными составляющими потокосцеплений. Магнитный поток продольной реакции
, пропорционален продольной составляющей тока
, магнитный поток поперечной реакции
, пропорционален
. Так как потокосцепления и наводимые ими ЭДС пропорциональны магнитным потокам, то для ЭДС реакции статора можно записать выражения
,
,
где
,
– коэффициенты пропорциональности, которые называются индуктивными сопротивлениями продольной и поперечной реакций статора соответственно.
Явнополюсная синхронная машина имеет различные индуктивности для продольной и поперечной составляющих тока. Эти сопротивления называются продольным
и поперечным
синхронными индуктивными сопротивлениями и могут быть найдены с помощью выражений:
,
.
Различие в индуктивных сопротивлениях
и
объясняется неодинаковым воздушным зазором по длине окружности расточки статора, что при одинаковой магнитодвижущей силе (МДС) реакции статора вызывает различные магнитные потоки реакции. Магнитные сопротивления явнополюсных машин в поперечном направлении больше, чем в продольном, следовательно, поперечное синхронное индуктивное сопротивление оказывается меньше продольного.
Векторная диаграмма потокосцеплений и напряжений явнополюсной машины приведена на рис.5.7, где продольное потокосцепление реакции статора с учётом его рассеяния
;
поперечное потокосцепление реакции статора с учётом его рассеяния
. Направление этих потокосцеплений совпадает с направлением токов.
|
Рис.5.7. Векторная диаграмма потокосцеплений и напряжений синхронного генератора
|
Напряжение на выводах машины
определяется результирующим потокосцеплением
и отстаёт от него на угол 90о:
,
а составляющие этого напряжения определяются по формулам:
,
.
В неявнополюсных синхронных машинах воздушный зазор имеет одинаковую ширину (рис.5.8).
Магнитное сопротивление для продольного и поперечного потоков реакции статора в этих машинах также одинаково, поэтому продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления равны ( ).
|
Рис.5.8. Поперечный разрез неявнополюсной машины
|
Векторная диаграмма неявнополюсной машины показана на рис.5.9, а, откуда следует, что для определения напряжения на зажимах машины нет необходимости разлагать ток на продольную и поперечную составляющие, а достаточно взять произведение полного тока на синхронное индуктивное сопротивление
и вычесть этот вектор из вектора
. Следовательно, неявнополюсную синхронную машину можно представить схемой замещения, показанной на рис.5.10, а.

а) б)
Рис.5.9. Векторные диаграммы неявнополюсной а) и явнополюсной б) синхронных машин
В явнополюсной машине индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям различны, поэтому схему замещения машины нельзя представить одним сопротивлением.

а) б)
Рис.5.10. Схемы замещения неявнополюсной а) и явнополюсной б) синхронных
Машин
Поэтому для расчёта токов и мощности вместо действительной машины используют фиктивную машину с одинаковыми индуктивными сопротивлениями по продольной и поперечной осям. Сопротивление и ЭДС принимают такими, чтобы активная и реактивная мощности машины при одном и том же напряжении
на её выводах и угле
получались такими же, как и у действительной машины. Эти условия выполняются, если сопротивление машины приравнять
. ЭДС такой фиктивной машины будет представлена вектором
, который всегда совпадает с вектором
(рис.5.9, б). Таким образом, приняв фиктивную ЭДС
, схему замещения явнополюсной машины можно представить в виде одного сопротивления
(рис.5.10, б).
(5.2)
Рис.5.5. Магнитные потоки синхронной машины на холостом ходу
;
поперечное потокосцепление реакции статора с учётом его рассеяния
. Направление этих потокосцеплений совпадает с направлением токов.
Рис.5.7. Векторная диаграмма потокосцеплений и напряжений синхронного генератора
).
Рис.5.8. Поперечный разрез неявнополюсной машины